“避雷針原理”的表述值得商榷

摘要:對(duì)幾種高中物理教材上“避雷針原理”的表述方式進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞:避雷針;高中物理;表述;討論

中圖分類號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2010)5(S)-0059-2

筆者查閱了高中幾種物理教材上關(guān)于“避雷針原理”的表述，并與大學(xué)物理等教材資料上有關(guān)資料進(jìn)行對(duì)照[1-3]，對(duì)“避雷針原理”的表述問(wèn)題提出自己的建議，論證如下:

1 避雷針的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示[4]，避雷裝置一般由三部分組成:避雷針、導(dǎo)線和金屬板。避雷針的尖端安裝在建筑物的頂部，并通過(guò)金屬導(dǎo)線與埋在地下的金屬板相連。雷雨天氣高樓上空出現(xiàn)帶電云層時(shí)，避雷針和高樓頂部都被感應(yīng)上大量電荷，根據(jù)靜電感應(yīng)的規(guī)律:“導(dǎo)體表面越凸出越尖銳的地方，電荷密度越大[5]。”所以，避雷針針頭的尖端總聚集著最多的電荷。由于避雷針的針尖較尖，它與帶電云層形成的電容器正對(duì)面積很小，電容就很小，能容納的電荷也就很少。當(dāng)云層聚集的電荷較多時(shí)，避雷針與云層之間的空氣就很容易被電離擊穿，成為導(dǎo)體，帶電云層與避雷針就形成了通路，云層上的大量靜電由避雷針通過(guò)導(dǎo)線直接瀉入地下，從而避免了建筑物遭受雷擊。在這個(gè)過(guò)程中，雖然避雷針的尖端向空中放電，中和了云層中的部分電荷，但中和的電荷量只是云層所帶電荷的極少部分，大部分被導(dǎo)入大地。可見(jiàn)，避雷針的主要功能是把電荷導(dǎo)入大地，而不是中和。

2 現(xiàn)代防雷裝置的威力

現(xiàn)代防雷的方式主要有三種:防直擊雷電、防感應(yīng)雷電和綜合性防雷電。裝置多由三部分組成，即接閃器、引下線和接地體;接閃器又分為避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)。以避雷針作為接閃器的防雷電原理是:避雷針通過(guò)導(dǎo)線接入地下，與地面形成等電勢(shì)差，利用自身的高度，使電場(chǎng)強(qiáng)度增加到極限值的雷電云電場(chǎng)發(fā)生畸變，開(kāi)始電離并下行先導(dǎo)放電;避雷針在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生尖端放電，形成向上先導(dǎo)放電;兩者會(huì)合形成雷電通路，電荷隨之瀉入大地，達(dá)到避雷效果。由此可見(jiàn)，“避雷針”實(shí)質(zhì)上是“引雷針”，它將周圍的雷電引來(lái)并提前放電，通過(guò)自身的接地導(dǎo)體傳入地面，從而保護(hù)建筑物。

接閃器除避雷針外還有避雷線、避雷帶和避雷網(wǎng)。避雷線就是在屋頂安裝一條長(zhǎng)導(dǎo)體與大地相連，后來(lái)發(fā)展為在屋頂四周的女兒墻或屋脊、屋檐上安裝金屬帶做接閃器來(lái)防雷電。避雷帶由于它的接閃面積大，接閃設(shè)備附近空間電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)比較強(qiáng)，更容易吸引雷電先導(dǎo)，從而大大降低了周圍物體受雷擊的幾率。再后來(lái)又發(fā)展成了避雷網(wǎng)，避雷網(wǎng)又分為明網(wǎng)和暗網(wǎng)兩種。明網(wǎng)是在避雷帶的中間加敷金屬線制成網(wǎng)狀，然后通過(guò)截面積足夠大的金屬線與大地連接來(lái)防雷電，它能重點(diǎn)保護(hù)建筑物的中間部位。暗網(wǎng)則是利用建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)，但要求每層樓板內(nèi)的鋼筋與梁、柱、墻內(nèi)的鋼筋有可靠的連接，特別要與地樁有良好的連接，這種防護(hù)設(shè)施防雷效果最好。

3 教材改編建議

新一輪課程改革，國(guó)家提倡一標(biāo)多本，有效地提高了我國(guó)中學(xué)教材的質(zhì)量。應(yīng)該說(shuō)目前的幾套高中物理教材各具特色，即充分體現(xiàn)了《課程標(biāo)準(zhǔn)》的宗旨，又縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，為新一輪課程改革的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但在教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)有不少地方亟待進(jìn)一步修編優(yōu)化。懇請(qǐng)各出版社在修編時(shí)能相互學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，進(jìn)一步提高各版本物理教材的科學(xué)性、實(shí)用性和先進(jìn)性。現(xiàn)就人教版關(guān)于“避雷針原理”部分提出三點(diǎn)建議供專家修編時(shí)參考。

(1)參照《物理選修1-1》[3]的表述改編:“帶電云層與避雷針形成通路后，云層上的大量靜電由避雷針通過(guò)導(dǎo)線直接導(dǎo)入地下，同時(shí)避雷針的尖端向空中放電，也中和了云層中的部分電荷，從而避免建筑物遭受雷擊”[6]，并修改原理圖，使學(xué)生明確避雷針的結(jié)構(gòu)。

(2)參照《新概念物理教程 電磁學(xué)》P48[2]進(jìn)行改編，不談電中和問(wèn)題，突出避雷針將云層中的電荷瀉入大地的主要功能。

(3)改寫(xiě)[1]P12的STS內(nèi)容，將避雷針把“電荷瀉入大地”和“電中和”兩方面都寫(xiě)入教材，并說(shuō)明主次，讓學(xué)生明確避雷針避雷的機(jī)制和實(shí)質(zhì)。以上意見(jiàn)是否恰當(dāng)，歡迎指正。

參考文獻(xiàn):

[1]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理選修1-1.人民教育出版社，2009.5.P11

[2]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程 電磁學(xué).高等教育出版社，2006.12.P48，P47

[3][4][6]廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū) 物理選修1-1.山東科學(xué)技術(shù)出版社，2007.7.P17

(欄目編輯王柏廬)